CN107063895B - 一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法 - Google Patents

Abstract

一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，该方法包括以下步骤：步骤1：试样的制备：步骤1‑1：标出软弱夹层与上层岩体和下层岩体的分界线；步骤1‑2：以分界线为基准将岩体层间软弱夹层上挖出第一夹层孔；步骤1‑3：在第一夹层孔一侧的软弱夹层挖出第二夹层孔；步骤1‑4：完成试样的制备；步骤2：进行岩体层间软弱夹层现场直剪试验：步骤2‑1：完成锚桩式反力装置装配；步骤2‑2：完成岩体层间软弱夹层现场直剪试验。本发明提供的一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，可以解决无法对岩体层间软弱夹层进行现场直剪试验的问题，集制样、加载、剪切为一体，可现场完成整个试验过程。

Description

一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法

技术领域

本发明涉及岩样直剪试验领域，尤其是一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法。

背景技术

受地质作用和风化作用的影响，在边坡岩体中会发育规模不等、大小深度各异的软弱夹层，该夹层即为潜在滑带。按成因，岩体层间软弱夹层可分为原生型和次生型两类。前者如以石英砂岩为主的岩层夹有粘土质岩层或泥岩薄层；后者为风化、溶滤作用或层间剪切及断层错动而形成的软弱夹层。在软硬相间的岩体内，往往由于岩层褶曲发生顺层错动，使软弱岩层的不同部位受破坏的程度不同而显示构造分带现象。一般可分为节理带和泥化层。泥化层又可进一步划分为劈理揉褶带、泥化带和错动泥化面。

岩体层间软弱夹层一般为层状或者带状，软弱夹层每一部分的结构、致密程度、天然含水量、孔隙度、塑性指数及力学强度等均有所不同。其厚度往往比相邻岩层的小，力学强度和变形模量也很低，饱和抗压强度仅为干抗压强度的二分之一或更低，有些甚至遇水崩解。同时，在决定基岩或者边坡整体稳定性上，这种滑带起着决定性作用，当基岩体内如有软弱夹层，会严重影响坝岩体的抗滑稳定性，当河谷谷坡或道路边坡岩体内存在软弱夹层，往往会导致斜坡崩滑失稳。

目前对岩土体进行抗剪强度测试的试验有两种，为现场原位直剪试验和室内直剪试验。一般来说，室内直剪试验由于室内条件良好，便于操作被经常采用，但是由于上述等软弱夹层现场取样难度很大，无法进行室内试验，只能进行现场试验，而且使用现场试验得到的数据更贴近真实，能够更好的反映软弱夹层的抗剪强度特征。

综上所述，有必要开展岩体层间软弱夹层的现场抗剪试验研究。

但是岩体层间软弱夹层现场试验目前也存在很多试验难点，试样制备就是第一个问题，在确定软弱夹层直剪试样位置大小后，可以将软弱夹层试样两侧土体挖开，此时仍有三个面和岩体连在一起，上下两个面可以形成双面剪切，但靠夹层内部一侧的连接将直接影响剪切试验结果；第二，岩体层间软弱夹层上部是有岩体应力的，如何确定应力大小也是难点之一；第三，剪切力如何施加也是难点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，可以解决无法对岩体层间软弱夹层进行现场直剪试验的问题，集制样、加载、剪切为一体，可现场完成整个试验过程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：试样的制备：

步骤1-1：现场确定岩体层间软弱夹层位置，标出软弱夹层与上层岩体和下层岩体的分界线；

步骤1-2：以分界线为基准将岩体层间软弱夹层上挖出第一夹层孔，第一夹层孔的宽度和深度大于软弱夹层厚度的3倍且大于剪刀式半剪切盒的宽度和深度；

步骤1-3：在第一夹层孔一侧的软弱夹层挖出第二夹层孔，第二夹层孔的宽度和深度大于剪刀式半剪切盒的宽度和深度，在第二夹层孔成型后，第一夹层孔和第二夹层孔之间软弱夹层即为试样胚体；

步骤1-4：在试样胚体的上方和下方的中心处分别打入上锚桩和下锚桩，将剪刀式剪切装置的两个剪刀式半剪切盒分别放入第一夹层孔和第二夹层孔中，竖梁通过固定螺栓与上锚桩和下锚桩连接成一个整体，安装加载装置使加载装置与剪刀式剪切装置的施力机构连接，通过加载装置中机械千斤顶加载，将试样胚体的内端切断，两个剪刀式半剪切盒合拢，得到试样，完成试样的制备；

步骤2：进行岩体层间软弱夹层现场直剪试验：

步骤2-1：卸下步骤1-4中安装的加载装置及两个L型连杆，保持竖梁连接不变，在两个剪刀式半剪切盒拼接形成的剪切盒外侧安装挡板使之形成四周封闭的剪切盒，在两个剪刀式半剪切盒两侧的拉环处分别连接一根拉杆，并通过横梁连接两根拉杆，完成锚桩式反力装置装配；

步骤2-2：在竖梁和横梁内侧各焊接一块钢板，钢板内侧设有卡口，在卡口处安装机械千斤顶，在试样处安装有测量剪切盒水平位移量的位移传感器，位移传感器的底座安装在上层岩体表面，位移传感器的探头安装在剪切盒外侧的挡板处，在机械千斤顶的推动下，剪切盒内的试样逐渐产生剪切变形，通过位移传感器和机械千斤顶的读数实时记录剪切变形和剪切荷载，待剪切位移量达到规范要求后停止试验，即完成岩体层间软弱夹层现场直剪试验。

步骤1-4所用剪刀式剪切装置中，两个剪刀式半剪切盒分别位于第一夹层孔和第二夹层孔中，各剪刀式半剪切盒与施力机构连接，施力机构中，剪刀式半剪切盒通过固定螺栓和L型连杆固定连接，两个L型连杆通过竖梁和铰接螺栓铰接在一起，传力板焊接在L型连杆的尾部。

步骤1-4所用加载装置中，机械千斤顶两侧安装有铰接支座，铰接支座中，转动上页焊接在传力板内侧，转动下页内侧设有卡口，用于固定机械千斤顶的两侧，转动上页和下页之间插有插销，转动下页下方设有限位螺栓。

步骤1-4中，将试样胚体内端切断的步骤如下：

将机械千斤顶固定在转动下页的卡口内，伸长机械千斤顶，使两个L型连杆张开带动两个剪刀式半剪切盒前端的剪切刀片与软弱夹层相接触，继续伸长机械千斤顶，机械千斤顶通过传力板推动剪切刀片对软弱夹层的内端进行横切，待剪切刀片将软弱夹层的内端完全切断后，此时两个剪切刀片相接触，机械千斤顶停止伸长，两个剪刀式半剪切盒内部的软弱夹层即为试样。

本发明提供的一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，可以解决无法对岩体层间软弱夹层进行现场直剪试验的问题，集制样、加载、剪切为一体，可现场完成整个试验过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中对上下岩体粘贴变形测点脚标并现场测量上部岩体应力的各部件的安装位置示意图；

图2为本发明在软弱夹层中挖出第一夹层孔和第二夹层孔的示意图；

图3为本发明剪刀式剪切装置及加载装置的示意图，图中还表明了切断试样内端的变化过程；

图4为本发明铰接支座示意图；

图5为本发明在进行软弱夹层试样内端切断时装置的示意图；

图6为本发明在进行现场直剪试验时装置的侧视图；

图7为本发明剪切盒的示意图；

图8为本发明所剪切的试样的示意图。

图中：1-试样，2-剪刀式半剪切盒，3-固定螺栓，4-挡板，5-铰接螺栓，6-L型连杆，7-传力板，8-机械千斤顶，9-铰接支座，10-转动上页，11-转动下页，12-插销，13-卡口，14-限位螺栓，15-上锚桩，16-下锚桩，17-竖梁，18-拉环，19-拉杆，20-横梁，21-剪切刀片，22-凹槽，23-钢板，101-软弱夹层，102-岩体，103-脚标，104-第一夹层孔，105-扁式液压加载器，106-压力表，107-溢流阀，108-手动油泵，109-油管，110-垫板，111-锚孔，112-位移传感器，112a-位移传感器底座，112b-位移传感器探头，204-第二夹层孔。

具体实施方式

实施例一

如图2-8所示，一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：试样1的制备：

步骤1-1：现场确定岩体层间软弱夹层101位置，标出软弱夹层101与上层岩体102和下层岩体的分界线；

步骤1-2：以分界线为基准将岩体层间软弱夹层101上挖出第一夹层孔104，第一夹层孔104的宽度和深度大于软弱夹层101厚度的3倍且大于剪刀式半剪切盒2的宽度和深度；

步骤1-3：在第一夹层孔104一侧的软弱夹层101挖出第二夹层孔204，第二夹层孔204的宽度和深度大于剪刀式半剪切盒2的宽度和深度，在第二夹层孔204成型后，第一夹层孔104和第二夹层孔204之间软弱夹层101即为试样胚体；

步骤1-4：在试样胚体的上方和下方的中心处分别打入上锚桩15和下锚桩16，将剪刀式剪切装置的两个剪刀式半剪切盒2分别放入第一夹层孔104和第二夹层孔204中，竖梁17通过固定螺栓与上锚桩15和下锚桩16连接成一个整体，安装加载装置使加载装置与剪刀式剪切装置的施力机构连接，通过加载装置中机械千斤顶8加载，将试样胚体的内端切断，两个剪刀式半剪切盒2合拢，得到试样1，完成试样1的制备；

步骤2：进行岩体层间软弱夹层现场直剪试验：

步骤2-1：卸下步骤1-4中安装的加载装置及两个L型连杆6，保持竖梁17连接不变，在两个剪刀式半剪切盒2拼接形成的剪切盒外侧安装挡板4使之形成四周封闭的剪切盒，在两个剪刀式半剪切盒2两侧的拉环18处分别连接一根拉杆19，并通过横梁20连接两根拉杆19，完成锚桩式反力装置装配；

步骤2-2：在竖梁17和横梁20内侧各焊接一块钢板23，钢板23内侧设有卡口13，在卡口13处安装机械千斤顶8，在试样1处安装有测量剪切盒水平位移量的位移传感器112，位移传感器112的底座112a安装在上层岩体102表面，位移传感器112的探头112b安装在剪切盒外侧的挡板4处，在机械千斤顶8的推动下，剪切盒内的试样1逐渐产生剪切变形，通过位移传感器112和机械千斤顶8的读数实时记录剪切变形和剪切荷载，待剪切位移量达到规范要求后停止试验，即完成岩体层间软弱夹层现场直剪试验。

步骤1-4所用剪刀式剪切装置中，两个剪刀式半剪切盒2分别位于第一夹层孔104和第二夹层孔204中，各剪刀式半剪切盒2与施力机构连接，施力机构中，剪刀式半剪切盒2通过固定螺栓3和L型连杆6固定连接，两个L型连杆6通过竖梁17和铰接螺栓5铰接在一起，传力板7焊接在L型连杆6的尾部。

步骤1-4所用加载装置中，机械千斤顶8两侧安装有铰接支座9，铰接支座9中，转动上页10焊接在传力板7内侧，转动下页11内侧设有卡口13，用于固定机械千斤顶8的两侧，转动上页10和下页11之间插有插销12，转动下页11下方设有限位螺栓14。

步骤1-4中，将试样胚体内端切断的步骤如下：

将机械千斤顶8固定在转动下页11的卡口13内，伸长机械千斤顶8，使两个L型连杆6张开带动两个剪刀式半剪切盒2前端的剪切刀片21与软弱夹层101相接触，继续伸长机械千斤顶8，机械千斤顶8通过传力板7推动剪切刀片21对软弱夹层101的内端进行横切，待剪切刀片21将软弱夹层101的内端完全切断后，此时两个剪切刀片21相接触，机械千斤顶8停止伸长，两个剪刀式半剪切盒2内部的软弱夹层即为试样1。

在两剪刀式半剪切盒2内侧设有相配合的凹槽22，在两侧凹槽22内插入一块挡板4形成四周封闭的剪切盒。

为了方便计算抗剪强度，在步骤1：试样1的制备步骤之前，还可进行对岩体层间软弱夹层现场测量上部岩体应力，其方法为：

第一步：现场确定岩体102层间软弱夹层101位置，标出软弱夹层101与上下岩体102的分界线，选取试验的位置，在上下岩体102临空面的表面分别牢固粘贴一个变形测点脚标103，精确测量两个脚标103的初始距离 ，即岩体层间软弱夹层101变形的初读数；

第二步：测量完毕后，以分界线为基准将岩体102层间软弱夹层101挖出第一夹层孔104， 要求第一夹层孔104的宽度和深度大于软弱夹层101厚度的3倍且大于剪刀式半剪切盒2的宽度和深度，两个变形测点脚标103的连线为第一夹层孔104的对称轴，第一夹层孔104挖出后，软弱夹层101上部岩体102应力自动释放，再次测量两个变形测点脚标103之间的距离，即开挖后的变形值 ；

第三步：在第一夹层孔104内的上下岩体102上下面分别抵靠上一块垫板110，垫板110与岩体102之间用细湿砂垫平，在两块垫板110之间安装扁式液压加载器105，扁式液压加载器105通过油管109与手动油泵108连接，在油管109上安装有压力表106和溢流阀107，操作手动油泵108，扁式液压加载器105将上部岩体102向上顶升，同时实时观测两个变形测点脚标103之间的距离，当两个变形测点脚标103之间的距离接近初始距离 时，手动油泵108减少加荷级差，在两个变形测点脚标103之间的距离达到初始距离 时，扁式液压加载器105停止顶升，并记录压力表106的读数，通过压力表106的读数得出上部岩体的应力，如图1所示。

Claims (3)

1.一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：试样（1）的制备：

步骤1-1：现场确定岩体层间软弱夹层（101）位置，标出软弱夹层（101）与上层岩体（102）和下层岩体的分界线；

步骤1-2：以分界线为基准将岩体层间软弱夹层（101）上挖出第一夹层孔（104），第一夹层孔（104）的宽度和深度大于软弱夹层（101）厚度的3倍且大于剪刀式半剪切盒（2）的宽度和深度；

步骤1-3：在第一夹层孔（104）一侧的软弱夹层（101）挖出第二夹层孔（204），第二夹层孔（204）的宽度和深度大于剪刀式半剪切盒（2）的宽度和深度，在第二夹层孔（204）成型后，第一夹层孔（104）和第二夹层孔（204）之间软弱夹层（101）即为试样胚体；

步骤1-4：在试样胚体的上方和下方的中心处分别打入上锚桩（15）和下锚桩（16），将剪刀式剪切装置的两个剪刀式半剪切盒（2）分别放入第一夹层孔（104）和第二夹层孔（204）中，竖梁（17）通过固定螺栓与上锚桩（15）和下锚桩（16）连接成一个整体，安装加载装置使加载装置与剪刀式剪切装置的施力机构连接，通过加载装置中机械千斤顶（8）加载，将试样胚体的内端切断，两个剪刀式半剪切盒（2）合拢，得到试样（1），完成试样（1）的制备；

步骤1-4所用剪刀式剪切装置中，两个剪刀式半剪切盒（2）分别位于第一夹层孔（104）和第二夹层孔（204）中，各剪刀式半剪切盒（2）与施力机构连接，施力机构中，剪刀式半剪切盒（2）通过固定螺栓（3）和L型连杆（6）固定连接，两个L型连杆（6）通过竖梁（17）和铰接螺栓（5）铰接在一起，传力板（7）焊接在L型连杆（6）的尾部；

步骤2：进行岩体层间软弱夹层现场直剪试验：

步骤2-1：卸下步骤1-4中安装的加载装置及两个L型连杆（6），保持竖梁（17）连接不变，在两个剪刀式半剪切盒（2）拼接形成的剪切盒外侧安装挡板（4）使之形成四周封闭的剪切盒，在两个剪刀式半剪切盒（2）两侧的拉环（18）处分别连接一根拉杆（19），并通过横梁（20）连接两根拉杆（19），完成锚桩式反力装置装配；

步骤2-2：在竖梁（17）和横梁（20）内侧各焊接一块钢板（23），钢板（23）内侧设有卡口（13），在卡口（13）处安装机械千斤顶（8），在试样（1）处安装有测量剪切盒水平位移量的位移传感器（112），位移传感器（112）的底座（112a）安装在上层岩体（102）表面，位移传感器（112）的探头（112b）安装在剪切盒外侧的挡板（4）处，在机械千斤顶（8）的推动下，剪切盒内的试样（1）逐渐产生剪切变形，通过位移传感器（112）和机械千斤顶（8）的读数实时记录剪切变形和剪切荷载，待剪切位移量达到规范要求后停止试验，即完成岩体层间软弱夹层现场直剪试验。

2.根据权利要求1所述的一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，其特征在于：步骤1-4所用加载装置中，机械千斤顶（8）两侧安装有铰接支座（9），铰接支座（9）中，转动上页（10）焊接在传力板（7）内侧，转动下页（11）内侧设有卡口（13），用于固定机械千斤顶（8）的两侧，转动上页（10）和下页（11）之间插有插销（12），转动下页（11）下方设有限位螺栓（14）。

3.根据权利要求2所述的一种岩体层间软弱夹层现场直剪试验方法，其特征在于步骤1-4中，将试样胚体内端切断的步骤如下：

将机械千斤顶（8）固定在转动下页（11）的卡口（13）内，伸长机械千斤顶（8），使两个L型连杆（6）张开带动两个剪刀式半剪切盒（2）前端的剪切刀片（21）与软弱夹层（101）相接触，继续伸长机械千斤顶（8），机械千斤顶（8）通过传力板（7）推动剪切刀片（21）对软弱夹层（101）的内端进行横切，待剪切刀片（21）将软弱夹层（101）的内端完全切断后，此时两个剪切刀片（21）相接触，机械千斤顶（8）停止伸长，两个剪刀式半剪切盒（2）内部的软弱夹层即为试样（1）。